Рубрика «квантовая физика»

Начну с двух простых вопросов с достаточно интуитивными ответами. Возьмём чашу и шарик (рис. 1). Если мне нужно, чтобы:
• шарик оставался неподвижным после того, как я помещу его в чашу, и
• он оставался примерно в том же положении при перемещении чаши,

то куда мне его положить?

Процесс квантового туннелирования - 1
Рис. 1

Конечно, мне нужно положить его в центр, на самое дно. Почему? Интуитивно ясно, что если я положу его куда-то ещё, он скатится до дна, и будет болтаться туда и сюда. В итоге трение уменьшит высоту болтаний и затормозит его внизу.

В принципе можно попробовать уравновесить шарик на краю чаши. Но если я немного потрясу её, шарик потеряет равновесие у падёт. Так что это место не удовлетворяет второму критерию в моём вопросе.
Читать полностью »

Честно говоря, до недавнего времени я думал, что мы несколько ближе к созданию квантового компьютера и квантовым обсчетам реальных систем. Оказалось, что пока это больше напоминает вычисление формы сферического коня в вакууме. Более того, при том, что форма такого «коня» известна изначально, на выходе порой получается что-то среднее между «кубиком» и «медузой». И только сейчас физики потихоньку начинают подбираться к чему-то, действительно похожему на реальность.

Сверхпроводящий фотосинтез или как рассферичить вакуумного коня - 1

Читать полностью »

Нейтрино – точно так же, как заряженные лептоны (электрон, мюон, тау), кварки верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) и нижнего типа (нижний, странный, прелестный) – бывают трёх типов. Но делить на типы их можно разными способами. При этом, из-за квантовой природы нашего мира в один момент времени можно использовать только один из них. В этой статье я объясню, почему так происходит, и как из этого факта следует такой интересный и важный с научной точки зрения факт, как нейтринные осцилляции.

Вы, возможно, считаете, что у каждой частицы есть определённая масса – к примеру, энергия массы электронов равна (E = mc2) 0,000511 ГэВ – и с одной из возможных точек зрения три типа нейтрино не являются исключениями. Мы можем классифицировать три нейтрино по их массам (которые пока точно неизвестны), и называть их, от наиболее лёгких к наиболее тяжёлым, нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Мы назовём такое деление массовой классификацией, а такие типы нейтрино – массовыми типами.
Читать полностью »

image
Создав два запутанных фотона в существующей системе, а затем разделив их на большое расстояние, мы сможем получить информацию о состоянии одного из них, измерив состояние другого

Квантовая физика полна загадок, печально известных тем, что они противоречат нашей интуиции. Частицы, кажется, знают, смотрите ли вы на них, или нет, и демонстрируют различное поведение, в зависимости от того, наблюдаете вы за ними, или нет, проходя через двойную щель. Измерение одной величины, допустим, положения частицы, создаёт присущую ей неопределённость в дополняющей величине, к примеру, импульсе. А если вы измерите её спин в вертикальном направлении, то уничтожите информацию о спине в горизонтальном направлении. Но самым «пугающим» из всех квантовых явлений будет квантовая запутанность, когда одна частица, кажется, мгновенно «узнаёт», измерили ли спутанного с ней партнёра, даже если это проделают на другом конце Вселенной. На этой неделе мы рассмотрим вопрос читателя, заинтригованного тем, почему это вообще считается загадкой.

С точки зрения фотонов они прошли нулевое расстояние за нулевое время. Так что в этом пугающего? Пока один из них не измерят, они находятся в одном и том же месте и в одно и то же время (если верить им), так что нельзя назвать загадкой то, что они координируют свои состояния.

Разумные рассуждения: замедление времени для быстро двигающихся частиц означает, что они могут координировать свои состояния с любой скоростью. Но эту загадку не так просто решить.
Читать полностью »

Как работает поле Хиггса:

1. Основная идея
2. Почему поле Хиггса в среднем ненулевое

Как так получается, что у поля Хиггса в природе среднее значение не равно нулю, а у других (судя по всему, элементарных) полей природы, известных нам, оно нулевое? [Очень мелкий шрифт: другие поля, за исключением гравитационного поля самого нижнего уровня, зовутся метрическими, это позволяет определить существование пространства и времени].

Во-первых, фермионные поля не могут обладать большим постоянным ненулевым значением в природе. Это связано с различием между фермионами и бозонами. Бозоны могут быть в среднем ненулевыми, но фермионы не могут. Так что можно забыть про электроны (и их кузенов мюонов и тау), про нейтрино и кварки. Мелкий шрифт: фермионы могут образовывать пары друг с другом или с антифермионами и составлять композитные бозоны, которые могут быть в среднем ненулевыми. Это так для верхних и нижних кварков и их антикварков, и для электронов в сверхпроводнике. Но это долгая история, и она не касается нашей напрямую.
Читать полностью »

Если вы читали мою серию статей про физику частиц и полей, вы знаете, что все т.н. «элементарные частицы» на самом деле – кванты (волны, чья амплитуда и энергия минимально допустимые квантовой механикой) релятивистских квантовых полей. Такие поля обычно удовлетворяют уравнениям движения класса 1 (или их обобщению) вида

$ d^2Z/dt^2 - c^2 d^2Z/dx^2=- (2 pi nu_{min})^2 (Z - Z_0) $

Где Z(x,t) – поле, Z0 — равновесное состояние, x – пространство, t – время, d2Z/dt2 представляет изменение по времени изменения по времени Z (d2Z/dx2 — то же для пространства), c – универсальное ограничение скорости (часто называемое «скоростью света»), а νmin — минимально допустимая частота для волны в поле. Некоторые поля удовлетворяют уравнению класса 0, которое представляет собой просто уравнение класса 1, в котором величина νmin нулевая. У кванта такого поля масса

$ m=h nu_{min} / c^2 $

Где h – постоянная Планка. Иначе говоря,

$ d^2Z/dt^2 - c^2 d^2Z/dx^2=- (2 pi c^2/h)^2 m^2 (Z - Z_0) $

Читать полностью »

1. Шар на пружине, ньютоновская версия
2. Квантовый шар на пружине
3. Волны, классический вид
4. Волны, классическое уравнение движения
5. Квантовые волны
6. Поля
7. Частицы – это кванты

В предыдущей статье серии я объяснил, что частицы природы – это кванты релятивистских полей, удовлетворяющие уравнениям движения класса 0 и класса 1. Но чего я пока не сказал, так что это утверждение, к счастью, верно лишь отчасти. Реальные уравнения всегда чуть более сложные, таким образом, что взаимосвязь частиц и полей остаётся, но при этом становятся возможными гораздо более разнообразные явления и процессы, включая появление частиц после столкновения других частиц, распад частиц на другие частицы, и рассеяние частиц друг с друга, а также формирование таких интересных объектов, как протоны и нейтроны, атомные ядра и атомы. Я не смогу объяснить всё это подробно, но в этой статье дам вам вводную того, как всё это работает.
Читать полностью »

1) шар на пружине, ньютоновская версия
2) квантовый шар на пружине
3) волны, классический вид
4) волны, классическое уравнение движения
5) квантовые волны
6) поля

Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.

Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.

Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.
Читать полностью »

1. Разбираемся в физике частиц: мяч на пружине
2. Разбираемся в физике частиц: 2) квантовый шар на пружине
3. Разбираемся в физике частиц: 3) волны, классический вид
4. Разбираемся в физике частиц: 4) волны, классическое уравнение движения
5. Разбираемся в физике частиц: 5) квантовые волны

На самом деле мы уже некоторое время назад зашли на территорию полей, просто я вас об этом не предупредил – я хотел сконцентрироваться на волнах, возникающих на этих полях. Описывая то, как ведут себя волны, мы выражали их форму и зависимость от времени при помощи функции Z(x,t). Ну так вот, Z(x,t) – это поле. Это функция пространства и времени с уравнением движения, определяющим её поведение. Подходящей функцией движения была бы такая, что если Z увеличивается или уменьшается в определённой точке, то Z будет уменьшаться или увеличиваться в соседних точках чуть попозже. Эта особенность позволяет волнам оказываться в числе решений уравнения.

В этой статье мы посмотрим на несколько примеров полей Z(x,t), чьи уравнения движения разрешают наличие волн. Физическая интерпретация у этих полей будет самой разной. Они описывают разные свойства разных материалов. Но уравнения, которым они удовлетворяют, и волны, которые они демонстрируют, будут удовлетворять очень похожей математике, и вести они себя тоже будут похоже, несмотря на различное физическое происхождение. Это в будущем станет очень важным моментом.
Читать полностью »

Не то, что вы думаете

image

Попросите группу физиков и философов определить «пространство», и вы, скорее всего, увязнете в долгой дискуссии, в которой будут встречаться такие глубокие, но бессмысленные комбинации слов, как «сама ткань пространства-времени является физическим проявлением концепций квантовой энтропии, сотканной воедино универсальной природой местоположения». Если подумать, может вам и не стоит затевать глубокие дискуссии между физиками и философами.

Является ли пространство просто бесконечной пустотой, лежащей в основе всего? Или же это пустота между объектами? Что, если пространство – это ни то, ни другое, а вовсе даже и физическая сущность, способная плескаться, будто ванна с водой?

Оказывается, что природа пространства – одна из величайших и самых странных загадок Вселенной. Так что приготовьтесь к… пространным рассуждениям.
Читать полностью »